Электрический ток в полупроводниках

Электрический Ток в Полупроводниках

Полупроводниками  назвали класс веществ, у которых  с повышением температуры увеличивается  проводимость, уменьшается электрическое  сопротивление. Этим полупроводники принципиально  отличаются от металлов.

Типичными полупроводниками являются кристаллы германия и кремния, в которых атомы объединены кова-лентной связью. При любых температурах в полупроводниках имеются свободные электроны. Свободные электроны под действием внешнего электрического поля могут перемещаться в кристалле, создавая электронный ток проводимости. Удаление электрона с внешней оболочки одного из атомов кристаллической решетки приводит к превращению этого атома в положительный ион. Этот ион может нейтрализоваться, захватив электрон у одного из соседних атомов. Далее, в результате переходов электронов от атомов к положительным ионам происходит процесс хаотического перемещения в кристалле места с недостающим электроном. Внешне этот процесс воспринимается как перемещение положительного электрического заряда, называемого дыркой.

При помещении кристалла  в электрическое поле возникает  упорядоченное движение дырок - дырочный ток проводимости.

В идеальном полупроводниковом  кристалле электрический ток  создается движением равного  количества отрицательно заряженных электронов и положительно заряженных дырок. Проводимость в идеальных полупроводниках  называется собственной проводимостью.

Свойства полупроводников  сильно зависят от содержания примесей. Примеси бывают двух типов - донорные и акцепторные.

Примеси, отдающие электроны  и создающие электронную проводимость, называются донорными (примеси, имеющие валентность больше, чем у основного полупроводника). Полупроводники, в которых концентрация электронов превышает концентрацию дырок, называют полупроводниками n-типа.

Примеси, захватывающие  электроны и создающие тем  самым подвижные дырки, не увеличивая при этом число электронов проводимости, называют акцепторными (примеси имеющие валентность меньше, чем у основного полупроводника).

При низких температурах основными носителями тока в полупроводниковом  кристалле с акцепторной примесью являются дырки, а не основными носителями - электроны. Полупроводники, в которых  концентрация дырок превышает концентрацию электронов проводимости, называют дырочными  полупроводниками или полупроводниками р-типа. Рассмотрим контакт двух полупроводников с различными типами проводимости.

Через границу этих полупроводников происходит взаимная диффузия основных носителей: электроны  из n-полупроводника диффундируют в  р-полупроводник, а дырки из р-полупроводника в n-полупроводник. В результате участок n-полупроводника, граничащий с контактом, будет обеднен электронами, и в нем образуется избыточный положительный заряд, обусловленный наличием оголенных ионов примеси. Движение дырок из р-полупроводника в n-полупроводник приводит к возникновению избыточного отрицательного заряда в пограничном участке р-полупроводника. В результате образуется двойной электрический слой, и возникает контактное электрическое поле, которое препятствует дальнейшей диффузии основных носителей заряда. Этот слой называют запирающим.

Внешнее электрическое  поле влияет на электропроводность запирающего  слоя. Если полупроводники подключены к источнику так, как показано на рис. 55, то под действием внешнего электрического поля основные носители заряда - свободные электроны в  п-полупроводнике и дырки в р-полупроводнике - будут двигаться навстречу друг другу к границе раздела полупроводников, при этом толщина p-n-перехода уменьшается, следовательно, уменьшается его сопротивление. В этом случае сила тока ограничивается внешним сопротивлением. Такое направление внешнего электрического поля называется прямым. Прямому включению p-n-перехода соответствует участок 1 на вольт-амперной характеристике (см. рис. 57).

Носители электрического тока в различных средах и вольт-амперные характеристики обобщены в табл. 1.

Если полупроводники подключены к источнику так, как  показано на рис. 56, то электроны в  п-полупроводнике и дырки в р-полупроводнике будут перемещаться под действием внешнего электрического поля от границы в противоположные стороны. Толщина запирающего слоя и, следовательно, его сопротивление увеличиваются. При таком направлении внешнего электрического поля - обратном (запирающем) через границу раздела проходят только неосновные носители заряда, концентрация которых много меньше, чем основных, и ток практически равен нулю. Обратному включению р-п-перехода соответствует участок 2 на вольт-амперной характеристике (рис. 57).

Таким образом, р-п-переход обладает несимметричной проводимостью. Это свойство используется в полупроводниковых диодах, содержащих один p-n-переход и применяемых, например, для выпрямления переменного тока или детектирования.

Полупроводники  находят широкое применение в  современной электронной технике.

Зависимость электрического сопротивления полупроводниковых  металлов от температуры используется в специальных полупроводниковых  приборах - терморезисторах. Приборы, в которых используется свойство полупроводниковых кристаллов изменять свое электрическое сопротивление при освещении светом, называются фоторезисторами.

При нормальных условиях   газы  состоят  из  нейтральных молекул, а поэтому являются диэлектриками. Так как для  получения электрического тока необходимо наличие заряженных частиц, то молекулы газа следует ионизировать (оторвать электроны от молекул). Для ионизации молекул необходимо затратить энергию - энергию ионизации, количество которой зависит от рода вещества. Так, энергия ионизации минимальна для атомов щелочных металлов, максимальна - для инертных газов.

Ионизировать  молекулы можно при нагревании газа, при облучении его различного рода лучами. Благодаря дополнительной  энергии  возрастает скорость  движения  молекул, нарастает интенсивность их теплового движения  и  при соударении отдельные молекулы теряют электроны, превращаясь в положительно заряженные ионы.

Электроны, оторвавшись  от молекулы могут присоединятся к нейтральным молекулам, образуя при этом отрицательно заряженные ионы.

Следовательно, при  ионизации появляются три типа носителей  зарядов: положительные ионы, отрицательные  ионы и электроны.

Под действием  внешнего электрического поля ионы обоих  знаков и электроны движутся  в направлении действия сил электрического поля: положительные ионы  к катоду, отрицательные ионы и электроны - к аноду. Т.е. электрический ток в газах - это упорядоченное движение ионов и электронов под действием электрического поля.

Вольт- амперная характеристика газов.

Зависимость силы тока от напряжения выражена  кривой ОАВС.

На  участке графика  ОА сила тока подчиняется закону Ома. При малом напряжении сила тока мала, т.к.  ионы двигаясь с малыми скоростями рекомбинируют, не достигая электродов. При увеличении напряжения  между электродами скорость направленного движения электронов  и ионов возрастает, поэтому  большая часть заряженных частиц достигает  электродов, а, следовательно возрастает сила тока.

При определенном значении напряжения U₁ все ионы имеют достаточные скорости и, не рекомбинируя, достигают электродов. Ток становится максимально возможным и не зависит от дальнейшего увеличения напряжения до значения U₂. Такой ток называют током насыщения, и ему соответствует участок графика АВ.

При напряжении U₂ в несколько тысяч вольт скорость электронов, возникающих при ионизации молекул, а следовательно, их кинетическая энергия значительно увеличиваются. И когда  кинетическая энергия  достигает значения энергии ионизации, электроны, сталкиваясь с нейтральными молекулами, ионизируют их. Дополнительная ионизация  приводит к лавинообразному увеличению количества заряженных частиц, а следовательно и к значительному увеличению силы тока без воздействия внешнего ионизатора. Прохождение электрического тока без воздействия внешнего ионизатора называют самостоятельным разрядом. Такая зависимость выражена участком графика АС. 

 

 

  

 

Электрический ток в вакууме.

В вакууме отсутствуют  заряженные частиц, а следовательно, он является диэлектриком. Т.е.  необходимо создать определенные  условия, которые помогут  получить заряженные частицы.

Свободные электроны  есть в металлах. При комнатной  температуре  они не могут покинуть металл, т. к. удерживаются в нем силами кулоновского притяжения со стороны положительных ионов. Для преодоления этих сил электрону необходимо затратить определенную энергию, которая называетсяработой выхода. Энергию, большую или  равную работе выхода, электроны могут получить при разогреве металла до высоких температур. 

При нагревании металла  количество электронов с кинетической энергией, большей работы выхода, увеличивается, поэтому из металла вылетает большее количество электронов. Испускание электронов из металлов  при его нагревании называют термоэлектронной эмиссией. Для осуществления термоэлектронной эмиссии в качестве оного из электродов используют тонкую проволочную нить из тугоплавкого металла (нить накала). Подключенная  к источнику тока нить раскаляется и с ее поверхности  вылетают электроны. Вылетевшие электроны попадают в электрическое поле между двумя электродами и начинают двигаться направленно, создавая электрический ток.

Явление термоэлектронной эмиссии лежит  в основе принципа действия электронных ламп:  вакуумного диода, вакуумного триода. 

 

 

                  Вакуумный  диод                                            Вакуумный триод 

 

                                                      

 

Вольт-амперная характеристика вакуумного диода.

Зависимость силы тока от напряжения выражена  кривой ОАВСD.

При испускании электронов катод приобретает положительный  заряд и поэтому удерживает возле  себя электроны.  При отсутствии электрического поля между катодом и анодом, вылетевшие электроны образуют у  катода электронное облако.

По мере увеличения напряжения между анодом и катодом  большее количество электронов устремляется к аноду, а следовательно сила тока увеличивается. Эта зависимость выражена участком графика ОАВ. Участок АВ является характеризует прямую зависимость  силы тока от напряжения, т.е. в  интервале напряжений U₁ - U₂ выполняется закон Ома. 

 

 

 

Нелинейная зависимость  на участке ВСD объясняется тем, что число электронов, устремляющихся к аноду, стает больше числа электронов, вылетающих с катода.

При достаточно большом  значении напряжения U₃ все электроны, вылетающие с катода, достигают анода, и электрический  ток достигает насыщения.  

 

Так же в качестве источника заряженных частиц можно  использовать радиоактивный препарат, испускающий α-частицы.Под действием сил электрического поля α-частицы будут двигаться, т.е. возникнет электрический ток.

Таким образом, электрический ток в вакууме может быть создан упорядоченным  движением любых заряженных частиц (электронов, ионов).